CN111182428A - Mems扬声器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了MEMS扬声器及其制造方法，其中，MEMS扬声器包括基底、振动组件、隔膜以及连接杆，基底包括基座和自基座一侧延伸的支撑座，基座沿其厚度方向贯穿设有第一腔体，支撑座呈环形并围合形成与第一腔体连通的第二腔体，第一腔体沿垂直于厚度方向的内径小于第二腔体；振动组件固定于基底且至少覆盖部分第一腔体，连接杆的一端与振动组件连接、另一端经第一腔体延伸至第二腔体并与隔膜连接，隔膜悬设于第二腔体中并与支撑座的内壁间隔设置。本发明的MEMS扬声器，通过振动构件带动隔膜做活塞运动而产生声音，使其在单位时间内可以排开更多体积的空气，从而提高了MEMS扬声器的声音输出。

Description

MEMS扬声器及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及声电转换技术领域，尤其涉及一种MEMS扬声器及该MEMS扬声器的制造方法。

【背景技术】

扬声器是一种将电学信号转换为声音信号的换能器件，被广泛应用在各种音响和移动终端设备中，扬声器性能的优劣将直接影响到音响或移动终端设备的音质。

现有技术中，扬声器中的振膜通常都是通过振膜振动产生声音的，但由于振膜的边缘通常都需要固定至其它部件，因此振膜的中心部位振动幅度大，而周边部分振动幅度小，从而导致扬声器的声音输出较低。

因此，有必要提供一种改进的扬声器来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于之一提供一种MEMS扬声器，其具有声音输出高的优点。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种MEMS扬声器，包括基底、振动组件、隔膜以及连接杆，所述基底包括基座和自所述基座一侧延伸的支撑座，所述基座沿其厚度方向贯穿设有第一腔体，所述支撑座呈环形并围合形成与所述第一腔体连通的第二腔体，所述第一腔体沿垂直于所述厚度方向的内径小于所述第二腔体；所述振动组件固定于所述基底且至少覆盖部分所述第一腔体，所述连接杆的一端与所述振动组件连接、另一端经所述第一腔体延伸至所述第二腔体并与所述隔膜连接，所述隔膜悬设于所述第二腔体中并与所述支撑座的内壁间隔设置。

作为一种改进，所述基座间隔开设有至少两个所述第一腔体，各所述第一腔体均与所述第二腔体连通，所述第一腔体与所述振动组件及所述连接杆一一对应，且所述振动组件均通过对应的所述连接杆与同一所述隔膜连接。

作为一种改进，所述振动组件包括设于所述基座远离所述支撑座一侧的振动构件和设于所述振动构件的驱动器，所述振动构件至少覆盖部分所述第一腔体。

作为一种改进，每一所述振动组件都包括两个所述驱动器，两个所述驱动器固定于所述振动构件远离所述支撑座的一侧且对称设置于所述连接杆的相对两侧。

作为一种改进，所述驱动器包括与所述振动构件连接的第一电极层、设于所述第一电极层远离所述振动构件一侧的压电层、以及设于所述压电层远离所述第一电极层一侧的第二电极层。

作为一种改进，所述振动构件包括振膜和连接梁，所述振膜的一侧与所述基座连接、另一侧朝向所述连接杆延伸并与所述连接杆间隔设置，所述连接梁连接在所述振膜与所述连接杆之间。

作为一种改进，所述振膜设有至少两个且对称设置于所述连接杆的外周，且每个所述振膜远离所述基座的一侧都设有一个所述驱动器。

作为一种改进，所述连接梁为L形或者蛇形。

作为一种改进，所述振膜悬置于所述第一腔体且仅远离所述连接杆的一侧与所述基座固定。

作为一种改进，所述MEMS扬声器为方形或圆形，所述连接杆等间距分布。

本发明的目的之二还提供一种MEMS扬声器制造方法，包括：

提供具有第一表面和第二表面的第一硅晶片，在所述第一硅晶片上蚀刻出若干从所述第一表面朝向所述第二表面延伸的第一凹腔，蚀刻后的所述第一硅晶片包括设有所述第一凹腔的第一晶片主体和设于所述第一凹腔中的第一凸柱；

在蚀刻后的所述第一硅晶片远离所述第二表面的一侧覆盖缓冲层；

提供SOI晶片，所述SOI晶片包括第一硅层、第二硅层以及夹设于所述第一硅层与所述第二硅层之间的氧化硅层，将所述第一硅层固定在所述缓冲层远离所述第一硅晶片的一侧，除去所述第二硅层和所述氧化硅层，并将所述第一硅层减薄至一定厚度；

对减薄后的所述第一硅层进行加工以形成振动构件，在所述振动构件上设置驱动器以形成振动组件；

对应所述第一凹腔的位置对所述第二表面进行蚀刻，以使所述第一凹腔贯穿所述第一晶片主体，制得具有第一腔体的基座；

提供第二硅晶片，在所述第二硅晶片上蚀刻出第二凹腔，蚀刻后的所述第二硅晶片包括设有所述第二凹腔的第二晶片主体和设于所述第二凹腔中的第二凸柱；

将蚀刻后的所述第二硅晶片固定在所述第一硅晶片远离所述缓冲层的一侧，所述第二晶片主体与所述第一晶片主体连接以使所述第一腔体与所述第二凹腔连通，所述第二凸柱与所述第一凸柱连接以形成连接杆；

对应所述第二凹腔的位置对所述第二晶片主体远离所述第一晶片主体的一侧进行蚀刻以形成第三凹腔，所述第三凹腔与所述第二凹腔通过与所述连接杆连接的隔板隔开；

蚀刻掉所述隔板的边缘以形成连通所述第二凹腔与所述第三凹腔的缝隙，制得支撑座和隔膜，所述支撑座围合形成用于容纳所述隔膜的第二腔体。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在基座上设置第一腔体，支撑座围合形成第二腔体，振动组件设于第一腔体，隔膜设置于第二腔体，且二者通过连接杆连接，振动组件在振动时会通过连接杆驱动隔膜做活塞运动，隔膜做活塞运动时会推压空气从而产生声音，振动组件由于需要固定至基座，因此在振动时会受到基座的阻碍，导致振动组件的整体振幅较小，而隔膜由于是通过连接杆悬设在第二腔体中的，且与支撑座的内壁间隔设置，因此其运动过程中不会受到支撑座的阻碍，隔膜可产生更大幅度的运动，也即，隔膜具有更大幅度的振幅，使其在单位时间内以排开更多体积的空气，因此，通过隔膜活塞运动而产生声音，相比于直接通过振动组件振动发声，可以提高MEMS扬声器的声音输出；而且由于隔膜和振动组件不是安装在同一个腔体内，因此隔膜的尺寸不会受到第一腔体尺寸的影响，而且第二腔体内径大于第一腔体的内径，因此可以设置尺寸大于第一腔体尺寸的隔膜，使隔膜在单位时间内可以排开更多体积的空气，从而进一步提升MEMS扬声器的声音输出。

【附图说明】

图1为本发明实施例一提供的MEMS扬声器的结构示意图；

图2为图1的沿A～A线的剖视示意图；

图3为图1中所示MEMS扬声器另一角度的结构示意图；

图4为图3中B处的局部放大示意图；

图5为本发明实施例一提供的MEMS扬声器制造过程中的结构变化示意图；

图6为本发明实施例二提供的MEMS扬声器的结构示意图；

图7为本发明实施例三提供的MEMS扬声器的结构示意图。

附图标记：100、MEMS扬声器；10、基底；20、振动组件；30、隔膜；40、连接杆；11、基座；12、支撑座；111、第一腔体；121、第二腔体；122、内壁；21、振动构件；22、驱动器；221、第一电极层；222、压电层；223、第二电极层；211、振膜；212、连接梁；213、镂空区；50、第一硅晶片；51、第一表面；52、第二表面；53、第一凹腔；54、第一晶片主体；55、第一凸柱；60、缓冲层；70、SO I晶片；71、第一硅层；72、第二硅层；73、氧化硅层；80、第二硅晶片；81、第二凹腔；82、第二晶片主体；83、第二凸柱；84、第三凹腔；85、隔板；86、缝隙；200、MEMS扬声器；11'、基座；111'、第一腔体；300、MEMS扬声器；21"、振动构件；11"、基座；111"、第一腔体。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、内、外、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，该元件可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

实施例一：

请参阅图1至图4，依照本发明实施例提供的一种MEMS扬声器100，包括基底10、振动组件20、隔膜30以及连接杆40，基底10包括基座11和支撑座12，支撑座12从基座11的一侧朝远离基座11的方向延伸，基座11沿其厚度方向贯穿设有第一腔体111，该厚度方向也即支撑座12的延伸方向，支撑座12呈环形并围合形成与第一腔体111连通的第二腔体121，第一腔体111沿垂直于基座11厚度方向的内径小于第二腔体121，也即，第一腔体111的轮廓小于第二腔体121，振动组件固定于基座11并至少覆盖部分第一腔体111，连接杆40的一端与振动组件20连接、另一端经第一腔体111延伸至第二腔体121中并与隔膜30固定连接，隔膜30悬设于第二腔体121中，并与支撑座12的内壁122(也即第二腔体121的腔壁)间隔设置。

通过在基座11上设置第一腔体111，支撑座12上设置第二腔体121，隔膜30通过连接杆40与振动组件20连接，从而将隔膜30悬设在第二腔体121中，振动组件20由于需要固定至基座11，因此振动组件20振动时会受到基座11的阻碍，只有覆盖在第一腔体111的部分能振动，且振动幅度从第一腔体111的中心到边缘逐渐减小，导致振动组件20的整体振幅较小，但振动组件20在振动时，会通过连接杆40带动隔膜30一起运动，通过隔膜30推压空气而产生声音，由于隔膜30悬设在第二腔体121中，且其边缘与支撑座12的内壁122之间存在间隙，因此隔膜30会沿基座11的厚度方向进行活塞运动，其运动不会受到支撑座12的影响，因此支撑座12的整体振幅较大，且各个部分的位移量都相同，在单位时间内可以排开更多体积的空气，从而提高MEMS扬声器100的声音输出。

本实施例中，第一腔体111的轮廓小于第二腔体121的轮廓，而且振动组件20和隔膜30分别安装于第一腔体111和第二腔体121，因此，隔膜30的尺寸不会受到第一腔体111的限制，只会受到第二腔体121的限制，从而可以将隔膜30的尺寸设置成大于第一腔体111，相比于将振动组件20和隔膜30安装在同一腔体中的方案，在振动组件20尺寸相同的情况下，本实施例的MEMS扬声器100可以设置更大尺寸的隔膜30，从而提高了MEMS扬声器100的声音输出。

优选地，支撑座12和基座11通过键合的方式固定在一起，且基座11、支撑座12、隔膜30以及连接杆40都由硅晶片制成。

作为本实施例的一种改进方式，基座11间隔开设有至少两个第一腔体111，各第一腔体111都与第二腔体121连通，第一腔体111、振动组件20及连接杆40的数量相同且一一对应，每个振动组件20都通过相应的连接杆40与同一隔膜30连接。

通过设置至少两个振动组件20，每个振动组件20通过一个相应的连接杆40与该隔膜30连接，所有振动组件20共同驱动隔膜30做活塞运动，增强了隔膜30运动的稳定性，而且当连接杆40发生断裂等意外时，只要MEMS扬声器100还有一个连接隔膜30和振动组件20的连接杆40，MEMS扬声器100即可通过振动组件20驱动隔膜30运动而发声，提升了MEMS扬声器100的可靠性。

优选地，连接杆40与振动组件20和隔膜30连接的两个端部尺寸相同。可以理解的是，连接杆40的两个端部的尺寸也可以不同，例如，可以使连接杆40与振动组件20连接的端部(也即顶端)的尺寸小于连接杆40与隔膜30连接的端部(也即底端)的尺寸，将连接杆40设置呈顶端小、底端大的特殊形状，既能保证连接杆40与隔膜30的连接强度，又能避免连接杆40过大而影响振动组件20振动的问题。

作为本实施例的一种改进方式，振动组件20包括连接于基座11远离支撑座12一侧的振动构件21和设于振动构件21的驱动器22，振动构件21至少覆盖部分第一腔体111。

优选地，每个振动组件20都包括两个驱动器22，两个驱动器22固定于振动构件21远离支撑座12的一侧且对称设置于连接杆40的相对两侧。

通过在一个振动构件21上设置两个驱动器22，克增加振动构件21的振幅，也即，可增强隔膜30振幅，从而提升MEMS扬声器100的声音输出。

可以理解的是，一个振动构件21上驱动器22的数量并不局限于上述两个，例如一个或者多个也是可以的。

作为本实施例的一种改进方式，驱动器22包括与振动构件21连接的第一电极层221、设于第一电极层221远离振动构件21一侧的压电层222、以及设于压电层222远离第一电极层221一侧的第二电极层223。

优选地，第一电极层221和第二电极层223由导电金属制成，压电层222由压电材料制成。压电材料可以是氮化铝、或者氧化锌、或者锆钛酸铅。

作为本实施例的一种改进方式，振动构件21包括振膜211和连接梁212，振膜211的一侧与基座11连接、另一侧朝向连接杆40延伸并与连接杆40间隔设置，连接梁212连接在振膜211与连接杆40之间。

振膜211产生振动后，振动先传递至连接梁212，使连接杆40运动，从而带动隔膜30做活塞运动，由于振膜211与连接杆40之间存在间距且通过连接梁212连接，因此，降低了振动构件21与连接杆40的连接部位的刚度，方便振动构件21振动。

优选地，为了进一步降低振动构件21与连接杆40的连接部位的刚度，连接梁212由柔性的薄膜材料制成。

可以理解的是，振动构件21并不局限于上述振膜211加连接梁212的形式，例如，悬臂梁的形式也是可以的。

作为本实施例的一种改进方式，振膜211至少设有两个，且振膜211对称设置于连接杆40的外周，且每个振膜211远离基座11的一侧都设有一个驱动器22。

优选地，本实施例中，每个振动构件21都包括两个振膜211和四个连接梁212，两个振膜211对称设置在连接杆40的两侧，从而增强了隔膜30运动的稳定性，每个振膜211与连接杆40之间都连接有两个连接梁212，连接梁212呈L形，且连接梁212的两端分别与振膜211和连接杆40连接，振膜211、连接于该振膜211的两个连接梁212以及连接杆40围合形成一个镂空区213，进一步降低了振动构件21与连接杆40的连接部位的刚度。

可以理解的是，连接梁212的形状并不局限于上述的L形，例如蛇形都是可以的。

作为本实施例的一种改进方式，振膜211悬置于第一腔体111且仅远离连接杆40的一侧与基座11固定。

本实施例中，振膜211呈方形，其相对的两侧分别与基座11和连接梁212连接，另外相对两侧则与第一腔体111的腔壁间隔设置，从而有利于振膜211的振动。

优选地，MEMS扬声器100为方形，且第一腔体111设有四个，四个第一腔体111呈两行两列排布，也即，四个第一腔体111两两对称排布，每个第一腔体111都设有一个通过连接杆40与隔膜30连接的振动组件20，保证了隔膜30运动的稳定性。

请参阅图5，本发明实施例还提供一种MEMS扬声器100制造方法S100，包括：

步骤S10，提供具有第一表面51和第二表面52的第一硅晶片50，在第一硅晶片50上蚀刻出若干从第一表面51朝向第二表面52延伸的第一凹腔53，蚀刻后的第一硅晶片50包括设有第一凹腔53的第一晶片主体54和设于第一凹腔53中的第一凸柱55；

步骤S20，在蚀刻后的第一硅晶片50远离第二表面52的一侧覆盖缓冲层60，该缓冲层60通过氧化硅制得；

步骤S30，提供SOI晶片70，SOI晶片70包括第一硅层71、第二硅层72以及夹设于第一硅层71与第二硅层72之间的氧化硅层73，将第一硅层71通过键合的方式固定在缓冲层60远离第一硅晶片50的一侧，除去第一硅层71和氧化硅层73，并将第一硅层71减薄至一定厚度；

步骤S40，对减薄后的第一硅层71进行加工以形成振动构件21，在振动构件21上设置驱动器22以形成振动组件20；

步骤S50，对应第一凹腔53的位置对第二表面52进行蚀刻，以使第一凹腔53贯穿第一晶片主体54，制得具有第一腔体111的基座11；

步骤S60，提供第二硅晶片80，在第二硅晶片80上蚀刻出第二凹腔81，蚀刻后的第二晶片包括设有第二凹腔81的第二晶片主体82和设于第二凹腔81中的第二凸柱83；

步骤S70，将蚀刻后的第二硅晶片80通过键合方式固定在第一硅晶片50远离缓冲层60的一侧，第二晶片主体82与第一晶片主体54连接以使第一腔体111与第二凹腔81连通，第二凸柱83与第一凸柱55连接以形成连接杆40；

步骤S80，对应第二凹腔81的位置对第二晶片主体82远离第一晶片主体54的一侧进行蚀刻以形成第三凹腔84，第三凹腔84和第二凹腔81通过与连接杆40连接的隔板85隔开；

步骤S90，蚀刻掉隔板85的边缘以形成连通第二凹腔81与第三凹腔84的缝隙86，制得支撑座12和隔膜30，支撑座12围合形成用于容纳隔膜30的第二腔体121。

本实施例中，第一硅晶片50和第二硅晶片80都为方形，且第一凹腔53的数量为4个，且四个第一凹腔53呈两两对称分布，第二凹腔81的数量为1个，且第二凹腔81的尺寸大于第一凹腔53的尺寸，基座11、第一凸柱55、振动构件21、支撑座12、第二凸柱83以及隔膜30都通过蚀刻形成，基座11与支撑座12通过键合的方式固定在一起形成基底10，第一凸柱55和第二凸柱83通过键合的方式固定在一起形成连接杆40，振动构件21也通过键合的方式固定至缓冲层60，也即，基座11、支撑座12、振动构件21、第一凸柱55以及第二凸柱83成型为一体，从而保证了以此种制造方法获得的MEMS扬声器100的整体强度。

实施例二：

请参阅图6，本实施例提供的MEMS扬声器200与实施例一提供的MEMS扬声器100相比：本实施例的基座11'间隔设有三个第一腔体111'，且三个第一腔体111'沿MEMS扬声器200的长度方向等间距分布。可以理解的是，第一腔体111'的数量并不局限于三个，例如一个、两个或者其它数量的多个也是可以的。

实施例三：

请参阅图7，本实施例提供的MEMS扬声器300与实施例一提供的MEMS扬声器100相比：本实施例的MEMS扬声器300为圆柱形，且振动构件21"为悬臂梁形式，基座11"上开设有三个第一腔体111"，三个第一腔体111"沿基座11"的周向等间距分布，且任意相邻两悬臂梁之间的夹角都为120°。可以理解的是，第一腔体111"的数量并不局限于三个，例如一个、两个或者其它数量的多个也是可以的。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种MEMS扬声器，其特征在于，包括基底、振动组件、隔膜以及连接杆，所述基底包括基座和自所述基座一侧延伸的支撑座，所述基座沿其厚度方向贯穿设有第一腔体，所述支撑座呈环形并围合形成与所述第一腔体连通的第二腔体，所述第一腔体沿垂直于所述厚度方向的内径小于所述第二腔体；所述振动组件固定于所述基底且至少覆盖部分所述第一腔体，所述连接杆的一端与所述振动组件连接、另一端经所述第一腔体延伸至所述第二腔体并与所述隔膜连接，所述隔膜悬设于所述第二腔体中并与所述支撑座的内壁间隔设置。

2.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述基座间隔开设有至少两个所述第一腔体，各所述第一腔体均与所述第二腔体连通，所述第一腔体与所述振动组件及所述连接杆一一对应，且所述振动组件均通过对应的所述连接杆与同一所述隔膜连接。

3.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述振动组件包括设于所述基座远离所述支撑座一侧的振动构件和设于所述振动构件的驱动器，所述振动构件至少覆盖部分所述第一腔体。

4.根据权利要求3所述的MEMS扬声器，其特征在于，每一所述振动组件都包括两个所述驱动器，两个所述驱动器固定于所述振动构件远离所述支撑座的一侧且对称设置于所述连接杆的相对两侧。

5.根据权利要求3所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述驱动器包括与所述振动构件连接的第一电极层、设于所述第一电极层远离所述振动构件一侧的压电层、以及设于所述压电层远离所述第一电极层一侧的第二电极层。

6.根据权利要求3所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述振动构件包括振膜和连接梁，所述振膜的一侧与所述基座连接、另一侧朝向所述连接杆延伸并与所述连接杆间隔设置，所述连接梁连接在所述振膜与所述连接杆之间。

7.根据权利要求6所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述振膜设有至少两个且对称设置于所述连接杆的外周，且每个所述振膜远离所述基座的一侧都设有一个所述驱动器。

8.根据权利要求6所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述连接梁为L形或者蛇形。

9.根据权利要求6所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述振膜悬置于所述第一腔体且仅远离所述连接杆的一侧与所述基座固定。

10.根据权利要求2所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述MEMS扬声器为方形或圆形，所述连接杆等间距分布。

11.一种MEMS扬声器的制造方法，其特征在于，包括：

提供具有第一表面和第二表面的第一硅晶片，在所述第一硅晶片上蚀刻出若干从所述第一表面朝向所述第二表面延伸的第一凹腔，蚀刻后的所述第一硅晶片包括设有所述第一凹腔的第一晶片主体和设于所述第一凹腔中的第一凸柱；

在蚀刻后的所述第一硅晶片远离所述第二表面的一侧覆盖缓冲层；

提供SOI晶片，所述SOI晶片包括第一硅层、第二硅层以及夹设于所述第一硅层与所述第二硅层之间的氧化硅层，将所述第一硅层固定在所述缓冲层远离所述第一硅晶片的一侧，除去所述第二硅层和所述氧化硅层，并将所述第一硅层减薄至一定厚度；

对减薄后的所述第一硅层进行加工以形成振动构件，在所述振动构件上设置驱动器以形成振动组件；

对应所述第一凹腔的位置对所述第二表面进行蚀刻，以使所述第一凹腔贯穿所述第一晶片主体，制得具有第一腔体的基座；

提供第二硅晶片，在所述第二硅晶片上蚀刻出第二凹腔，蚀刻后的所述第二硅晶片包括设有所述第二凹腔的第二晶片主体和设于所述第二凹腔中的第二凸柱；

将蚀刻后的所述第二硅晶片固定在所述第一硅晶片远离所述缓冲层的一侧，所述第二晶片主体与所述第一晶片主体连接以使所述第一腔体与所述第二凹腔连通，所述第二凸柱与所述第一凸柱连接以形成连接杆；

对应所述第二凹腔的位置对所述第二晶片主体远离所述第一晶片主体的一侧进行蚀刻以形成第三凹腔，所述第三凹腔与所述第二凹腔通过与所述连接杆连接的隔板隔开；

蚀刻掉所述隔板的边缘以形成连通所述第二凹腔与所述第三凹腔的缝隙，制得支撑座和隔膜，所述支撑座围合形成用于容纳所述隔膜的第二腔体。

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